2023-1 4족보행 로봇(Quadruped robot) 만들기 #2 (paper study)

본격적인 설계에 앞서 quadruped design과 관련된 논문과 인터넷 글들을 좀 읽어봤다.

 

 

논문의 역학적, 기구학적 해석 보단 기초적인 부분, 이를 테면 '부위의 명칭을 뭐라고 하는지', '어떤 형태로 제작을 많이 했는지' 같은 것에 초점을 두고 찾아봤었다. (기본적으로 3 motor/leg는 결정한 상태에서 시작하는 것이다.)

 

 

아래에 읽은 자료의 링크와 그 자료에서 얻은 정보들을 한번 정리해 봤다.

 

 

시작 전에 간단하게 용어 정리를 해보면 다리의 위쪽(허벅지)을 femur라 하고 아래쪽(종아리)을 tibia라 한다. 그리고 body-femur joint 중 roll회전을 하는 것을 joint0, pitch회전하는 것을 joint1, femur-tibia joint를 joint2라 하겠다. 

 

 

 

 

ⓐ https://www.youtube.com/watch?v=bDxItdyQ3jc 

https://www.youtube.com/watch?v=bDxItdyQ3jc

●이 영상에서 'compliant leg'라는 단어가 나왔다. 몇몇 quadruped, leg locomotion 로봇 논문에서도 이 단어가 보였는데 스프링 같은 탄성체를 이용해 링크나 어떤 구조에 '유연성'을 더한 경우인 것 같다. 그냥 쉽게 말하면 링크 구조에 서스펜션을 넣은 것이다.

 

 

●이 영상은 joint2를 스프링을 포함한(compliant) 4절 링크로 구동했다. 내가 찾아본 취미 수준의 quadruped 중에서 가장 해볼 만한 구조였다.(mass moment inertia를 줄이기 위해 joint2에 바로 모터를 달지 않으면서 구조가 단순해 쉽게 따라 할만한 구조)

 

 

+) compliant leg를 적용한 로봇으로 실험한 논문에 따르면 compliant leg를 통해 ①less-parameter-sensitive-gait이 가능, ②energy-efficient-gait이 가능하다고 한다. 논문에서 사용한 quadruped는 내가 만들려고 하는 로봇과 구조가 달랐지만 위 2개의 장점은 변함없이 내 로봇에도 적용될 것으로 생각된다.(내 생각)

 

(+ 출처 : Brecht Willems et al., "Quadruped Robots Benefit from Compliant Leg Designs", 2017 IEEE/IROS, Vancouver Canada, 2017, https://biblio.ugent.be/publication/8533863)

 

 

 

 

ⓑ https://hackaday.io/project/171456-diy-hobby-servos-quadruped-robot

DIY hobby servos quadruped robot

●위 글을 보면 더 '좋은' leg mechanism을 찾기 위해 여러 구조를 찾아본 것을 알 수 있다. ⓐ와 같은 형태의 4절 링크 구조도 만들었었지만 비교적 큰 질량인 joint2 모터를 joint1 축으로 회전시키는 게 역학적, 제어적으로 좋지 않아서 다른 방법을 생각했다고 한다. (결국 마찬가지로 mass moment of inertia를 줄이고자 한 것이다.) 이 부분은 나도 글을 읽기 전부터 약하게나마 생각해 봤던 점이었다.

 

 

 

●위의 문제를 피하기 위해서 joint1 모터와 joint2 모터 전부 body에 올린 후 링크 구조(linkage)를 이용한 형태를 시도했었고 8절 링크의 형태(사진 1.)를 찾았다고 한다. 

사진 1. https://hackaday.io/project/171456-diy-hobby-servos-quadruped-robot

 

 

●모터를 body에 올리는 방법으로 내가 생각했던 것은 기어를 사용하는 것이었다. 원래 생각이 붕뜨고 쉽게 구상이 안되던 참이었는데 본문을 읽다가 같은 방법의 아이디어인 초록색 모델링(사진 2.)을 보고 갑자기 구체적인 그림이 그려졌었다. 그래서 스케치를 해봤다.(사진 3.)

 

사진 2. https://hackaday.io/project/171456-diy-hobby-servos-quadruped-robot

 

 

사진3. 직접 그린 스케치, Type1(좌측), Type2(우측)

 

●Type1, 2 모두 기본적으로 joint1을 1:1의 기어로 제어한다는 것은 똑같다. 이때 기어비는 일단 1:1로 설정해 두었는데 이후 계산을 통해 joint2의 각속도와 joint1의 각속도가 같아지도록 바꿀 수 있다. 그렇게 하는 게 제어가 더 수월할 거 같기 때문이다.

 

Type1, 2의 차이는 tibia을 움직이는 link의 개수, 밖으로 드러났는가의 차이뿐이다. 역학적으로 큰 차이가 있을 거 같지는 않고 '모델링 과정에서 치수에 따라', 'compliant leg로 만들기 위해 스프링을 어떻게 적용할지' 등에 따라 결정할 수 있다.

 

다만 joint2 4절 링크를 기구학으로 분석해서 joint2의 회전 가능 범위와 힘(토크)을 고려한 설계를 할 필요가 있다.

 

 

 

 

ⓒ https://www.mdpi.com/2076-3417/11/22/10705

Structural Design, Simulation and Experiment of Quadruped Robot

 

+)이번에는 2.1 Topological Structure~와 2.4 Leg design 위주로 읽었지만 그 외에 전반적인 quadruped design에 있어서 참고할 정보들이 많았던 거 같다. 이후 전체 설계 때 이 논문을 좀 더 제대로 읽어볼 예정이다.

 

 

●(사진 4.) 우선 이 논문은 joint2 설계에 'ball head linkage'를 사용했다. 물론 motor2이 ⓑ처럼 body에 올라가 있는 것은 아니지만 모터의 방향을 세로로 장착할 수 있어 'femur의 두께(가로길이)가 커지는 것'과 'link가 지나치게 femur 밖으로 나가는 것'을 막을 수 있었다고 생각한다(내 생각). 또한 기본적으로 4절 링크를 유지하기에 해석도 크게 어려워지지는 않았다.

사진 4. "Structural Design, Simulation and Experiment of Quadruped Robot" Fig 4.

 

●다른 다관절 로봇과 마찬가지로 모터 개수와 배치에 따라 여러 분류가 나오는데, 일반적으로 많이 만드는 3 motor/leg의 quadruped는 12DOF라고 한다. 

 

 

●전진 방향을 기준으로 joint2 부분이 앞을 향하는 다리를 knee, 뒤를 향하는 다리를 elbow라 해서 앞뒤다리 2쌍의 조합에 따라 ①inner knee-elbow(앞:elbow/뒤:knee), ②outer knee-elbow(앞:knee/뒤:elbow), ③full knee, ④full elbow로 나눌 수 있다고 한다. 일단은 나는 ③full knee로 로봇을 제작하려고 한다.

 

->이후 #5까지 full knee로 만들려고 했으나 추후 생각이 바뀌어서 full elbow로 제작하기로 했다. 거의 모든 quadruped 로봇이 full elbow를 채택하고 있었기 때문이다. #5까지는 leg제작이기에 이는 큰 문제가 되지 않는다. 다만 그림들이 knee방향으로 그려져 있는데 그냥 방향만 반대로 생각하면 된다. full-elbow와 full-knee의 물리적, 기능적 차이를 찾아보려고 했지만 못찾았다.

 

 

+) ①②는 high speed, small lateral offset, low energy consumption, small fluctuation의 장점이 있고, ③④는 stability while walking의 장점이 있다고 한다. (그냥 영어 그대로 적는 게 깔끔해서 그대로 적었다.)

 

(+ 출처 : X. Zhang et al., "A biological inspired quadruped robot: structure and control", 2005 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics - ROBIO, Hong Kong China, 2005, pp. 387-392, https://ieeexplore.ieee.org/document/1708774)

 

 

 

 

ⓓ https://www.hindawi.com/journals/mpe/2020/3943867/

Design and Control of a Novel Single Leg Structure of Electrically Driven Quadruped Robot

 

●이 논문의 로봇도 motor2를 body에 올렸다. 이 로봇의 경우 joint2 구동을 위해 5절 링크를 사용했다.(*전체 다리를 기준으로 보면 6절 링크이다.)

사진 5. "Design and Control of a Novel Single Leg Structure of Electrically Driven Quadruped Robot" Fig 13.

 

 

 

●DH parameter가 이 논문과 ⓒ외에도 여러 글에서 언급되고 사용되었다. 검색해 보니 링크 구조(quadruped의 경우 다리)를 수학적으로 모델링하는 방법 중 하나라고 한다.

 

인턴 때도 이 단어를 들었었고 이전 ros_arm 프로젝트(2021-2) 때도 자료조사할 때 많이 봤던 것이었다. 이번 프로젝트에도 적용하려고 유튜브 강의나 자료를 찾아봤는데 단기간에 바로 적용하기에는 어려울 것 같다.(독학할만한 자료도 많지 않다.)

 

일단 DH parameter는 프로젝트 틈틈이 공부해서 따로 포스팅을 시도해 보고 가능하다면 이번 프로젝트 때 적용해 봐야겠다.

 

 

 

 

 

○기타(찾아서 읽어는 봤으나 당장 필요한 자료가 아닌 경우 -> 이후 쓸만할 것 같은 논문)

 

●Tadayoshi Aoyama et al., "Optimal limb length ratio of quadruped robot minimising joint torque on slopes" : quadruped의 femur와 tibia의 length ratio에 관련된 논문을 기대했으나 front와 rear leg 사이의 ratio에 대한 논문이었다. 이번 프로젝트에서 나는 4개 leg의 길이는 같게 할 것이기에 이 논문은 당장은 필요 없다고 생각했다.

 

 

 

 

이렇게 일주일간 여러 자료를 읽어봤고 다리 설계에 대해 나름대로 생각해 봤다.

 

 

 

 

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정확한 정보 전달보단 공부 겸 기록에 초점을 둔 글입니다.

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